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EP3623486B1 - Procédé de redressage d'un arbre métallique comportant une étape de revenu localisé - Google Patents

Procédé de redressage d'un arbre métallique comportant une étape de revenu localisé Download PDF

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Publication number
EP3623486B1
EP3623486B1 EP19197321.3A EP19197321A EP3623486B1 EP 3623486 B1 EP3623486 B1 EP 3623486B1 EP 19197321 A EP19197321 A EP 19197321A EP 3623486 B1 EP3623486 B1 EP 3623486B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
tempering
treatment
straightening
during
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP19197321.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3623486A1 (fr
Inventor
Kevin Serpin
Romain Perseval
Baptiste Modard
Vianney Bonhomme
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Publication of EP3623486A1 publication Critical patent/EP3623486A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3623486B1 publication Critical patent/EP3623486B1/fr
Active legal-status Critical Current
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the shafts of a motor vehicle gearbox are highly stressed, particularly in terms of friction and fatigue. To make them more resistant, they are subjected, during their production, to a heat treatment to harden their surface. This heat treatment is generally carried out on the shaft when it globally presents its final shape.
  • This is, for example, a heat treatment by carbonitriding or by cementation.
  • the shaft is subjected to a very high temperature, for example around 900° C., in an atmosphere rich in carbon, propane, nitrogen. Then, the shaft thus heated is suddenly cooled by a quenching operation.
  • Such a heat treatment makes it possible to obtain a shaft whose metallic material has a hard surface layer and a soft and ductile core.
  • FIG. 1 Schematically represented in figure 1 a gearbox shaft 10 with longitudinal "A" axis.
  • This shaft 10 is intended to receive various elements such as fixed and/or mobile gears.
  • the shaft 10 is made of a metallic material such as steel.
  • Shaft 10 shown in figure 1 has a straight main "A" axis oriented longitudinally. This shaft 10 is intended to undergo a treatment process, in particular to harden the surface.
  • such a treatment method chronologically includes a first heat treatment step “E1” during which the shaft 10 is exposed to a high treatment temperature “Tt” followed by a quenching operation. It is for example a treatment by carbonitriding or a treatment by cementation.
  • the treatment temperature "Tt" is very high, for example about 900°C.
  • the shaft 10 directly undergoes a quenching operation which abruptly lowers its temperature, for example to a temperature of about 140°C.
  • the line 16 thus comprises an oven 18 which makes it possible to heat the shaft 10 to the treatment temperature "Tt" in a suitable atmosphere, for example rich in carbon and nitrogen.
  • the chain 16 has a quenching tank 20 arranged downstream of the furnace 18 according to the flow of the shafts 10 in the production chain 16.
  • the tank 20 is for example filled with a fluid, such as oil, which makes it possible to carry out the quenching operation.
  • the significant temperature variation in such a short period of time causes a deformation in bending of the shaft 10 of the gearbox.
  • the shaft 10 thus having a permanent deflection 12 which is here determined as being the maximum radial distance between the axis "A" of the shaft and an imaginary longitudinal straight line “B" joining the two ends of the shaft 10.
  • the shaft 10 thus deformed is rectified by undergoing a step "E2" of straightening.
  • This straightening step “E2" is carried out after the processing step "E1". It consists in imposing a plastic deformation in bending opposite to the deflection so that the axis "A" of the shaft 10 is globally rectilinear. For this purpose, a bending force symbolized by the arrow "F" of the picture 3 is imposed on tree 10.
  • the shaft 10 is installed in a straightening station 22 which comprises anvils 24 which each support one end of the shaft 10.
  • the shaft 10 is clamped longitudinally between two rotating points 32 which are capable of driving the shaft 10 in rotation about its axis "A" so as to identify the direction of the arrow 12.
  • the shaft 10 is then wedged in an angular position in which the arrow 12 is directed towards a thrust means, such as a cylinder 26.
  • a radial force is applied substantially to the longitudinal center of the shaft 10, for example by the jack 26, to impose a bending on it in a direction opposite to the arrow 12.
  • Such cracks or ruptures are more particularly likely to occur in the sections having a geometry which favors the concentrations of mechanical stress with respect to the rest of the tree.
  • These are in particular shaft sections 10 having a cross-section which varies abruptly, such as a section provided with a shoulder and/or a groove and/or a hole and/or a groove and/or spline, etc.
  • the invention proposes subjecting the shaft 10 to a tempering step "E3" which is carried out after the heat treatment step “E1" and before the end of the straightening step "E2". During this tempering step "E3", at least one selected section of the shaft 10 is subjected to a localized tempering treatment.
  • the selected shaft section is locally subjected to a tempering temperature "Tr".
  • the term “localized” means that only the selected section is subjected to the tempering treatment, the adjacent sections of the tree not being directly subjected to the tempering treatment. This means that adjacent sections can be heated only by thermal conduction with the selected section.
  • the tempering temperature “Tr” is high enough to cause a relaxation of the mechanical stresses, an increase in the ductility of the material constituting the section and a reduction in the elastic modulus.
  • the tempering temperature “Tr” is however low enough to avoid significantly altering the metallurgical properties of the material obtained by the heat treatment.
  • the tempering temperature “Tr” is for example less than 250°C.
  • the section selected to undergo the tempering step has a geometry which favors the concentrations of mechanical stress with respect to the rest of the shaft 10. In the example shown in picture 3 , this is the section 14 which has a shoulder followed by a long and thin section of the shaft 10.
  • a single section 14 is brought to undergo the step "E3 of tempering. This is the section 14 having the geometry which has the greatest concentration of mechanical stress compared to the rest of tree 10.
  • This selected section 14 can be determined trivially, for example visually, when the shape of the shaft 10 is sufficiently simple.
  • the section 14 selected is determined by digital calculation of the stress concentration, for example by application of the finite element method.
  • the tempering treatment is carried out by electromagnetic induction.
  • the production line 16 of the shaft 10 comprises an induction tempering treatment station 28 equipped with an electromagnetic inductor 30 having the shape of a “U” or an “O”.
  • the minimum longitudinal dimension of the section 14 selected is identical to the width of the inductor 30.
  • the tempering step "E3" is carried out before the start of the straightening step "E2".
  • the tempering station 28 is independent of the straightening station 22 . It is arranged upstream of the straightening station 22, as shown in figure 5 .
  • the inductor forms part of the rectifying station.
  • the tempering step "E3" it is also possible to carry out the tempering step "E3" at least partly during the straightening step "E2", as illustrated in figure 4 .
  • the tempering step “E3" begins just before the straightening step "E2" and it can continue after the start of the straightening step "E2".
  • the straightening step "E2" is carried out while the selected section 14 is still hot enough to have sufficient ductility not to break or crack during the straightening step "E2".

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
  • L'invention concerne un procédé de traitement d'un arbre métallique de boîte de vitesses, notamment pour un véhicule automobile, qui comporte chronologiquement :
    • une étape de traitement thermique durant laquelle l'arbre est exposé à une température élevée suivie d'une opération de trempe qui provoque une déformation en flexion de l'arbre, l'arbre présentant ainsi une flèche permanente ;
    • une étape de redressage qui consiste à imposer une déformation plastique en flexion opposée à la flèche pour que l'axe de l'arbre soit globalement rectiligne.
    ARRIERE PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION
  • Les arbres d'une boîte de vitesses de véhicule automobile sont très sollicités, notamment en frottement et en fatigue. Pour les rendre plus résistants, ils sont soumis, au cours de leur production, à un traitement thermique pour durcir leur surface. Ce traitement thermique est généralement réalisé sur l'arbre lorsque présente globalement sa forme finale.
  • Il s'agit par exemple d'un traitement thermique par carbonitruration ou par cémentation. Lors d'un tel traitement thermique, l'arbre est soumis à une température très élevée, par exemple aux alentours de 900°C, dans une atmosphère riche en carbone, en propane, en azote. Puis, l'arbre ainsi chauffé est refroidi brutalement par une opération de trempe.
  • Un tel traitement thermique permet d'obtenir un arbre dont le matériau métallique présente une couche superficielle dure et un coeur tendre et ductile.
  • Cependant, on a constaté que les amplitudes thermiques auxquelles l'arbre était soumis avaient tendance à créer des contraintes mécaniques internes résiduelles. Ces dernières provoquent des déformations significatives de l'arbre, notamment en flexion. L'arbre ainsi traité présente une flèche qui, bien souvent, ne respecte pas les tolérances de fabrication.
  • Il est donc préconisé de réaliser une étape de redressage de l'arbre suite à cette étape de traitement thermique. Le redressage est réalisé par une flexion de l'arbre, dans un sens opposé à la flèche, dans le domaine plastique afin de redonner à l'arbre un axe principale globalement rectiligne de façon permanente. Un tel procédé est divulgué dans US2008/244892 , voir une trempe superficielle comportant une étape, postérieure à l'étape de traitement thermique de surface, de redressage mécanique d'au moins une partie axiale de l'arbre. En outre, le document US 3024626 divulgue un procédé appliqué à un arbre de transmission comportant un traitement de réduction des contraintes résiduelles qui est effectué avant l'étape de durcissement.
  • Cependant, on a observé que pour certaines géométries d'arbre, cette opération de redressage créait, sur certains tronçons, des concentrations de contraintes mécaniques supérieures à la résistance à la rupture du matériau constituant l'arbre. Il en résulte la formation de fissures, voire une rupture totale de l'arbre au niveau de ces tronçons favorisant les concentrations de contraintes.
  • Le taux d'arbres mis au rebut pour cette cause peut être assez élevé, ce qui a des conséquences financières importantes pour le fabricant.
    • BREF RESUME DE L'INVENTION
  • L'invention propose un procédé de traitement d'un arbre métallique de boîte de vitesses, notamment pour un véhicule automobile, qui comporte chronologiquement :
    • une étape de traitement thermique durant laquelle l'arbre est exposé à une température élevée suivie d'une opération de trempe qui provoque une déformation en flexion de l'arbre, l'arbre présentant ainsi une flèche permanente ;
    • une étape de redressage qui consiste à imposer une déformation plastique en flexion opposée à la flèche pour que l'axe de l'arbre soit globalement rectiligne ;
      caractérisé en ce qu'il comporte une étape de revenu qui est réalisée après l'étape de traitement thermique et avant la fin de l'étape de redressage et durant laquelle au moins un tronçon sélectionné de l'arbre est soumis à un traitement localisé de revenu ainsi que
    • le tronçon sélectionné présente une géométrie qui favorise les concentrations de contrainte mécanique par rapport au reste de l'arbre ;
  • Selon d'autres caractéristiques de l'invention:
    • le tronçon sélectionné présente une géométrie qui présente la plus grande concentration de contraintes mécaniques par rapport au reste de l'arbre ;
    • le tronçon sélectionné est déterminé par calcul numérique du champ de contraintes, par exemple par application de la méthode des éléments finis ;
    • lors du traitement de revenu de l'étape de revenu, le tronçon d'arbre sélectionné est soumis à une température de revenu inférieure à 250°C ; une telle température a pour avantage de relâcher les tensions sans modifier profondément la structure métallurgique du tronçon sélectionné ;
    • lors de la première étape de traitement, le traitement thermique de l'arbre est un traitement par carbonitruration ou par cémentation ;
    • lors de l'étape de revenu, le traitement de revenu est réalisé par induction électromagnétique ;
    • l'étape de revenu est finalisée avant le début de l'étape de redressage ;
    • l'étape de revenu est réalisée au moins en partie pendant l'étape de redressage.
    BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique de profil qui représente un arbre de boîte de vitesses avant traitement thermique ;
    • la figure 2 est un schéma-bloc qui représente un procédé de fabrication d'un arbre de boîte de vitesses traité selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1 qui représente l'arbre de boîte de vitesses déformé après une étape de traitement thermique et avant redressage ;
    • la figure 4 est un schéma-bloc qui représente un procédé de fabrication d'un arbre de boîte de vitesses traité selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 5 est un schéma qui représente une chaîne de fabrication équipée d'un inducteur électromagnétique adapté pour réaliser le procédé selon le premier mode de réalisation de l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES
  • Dans la suite de la description, des éléments présentant des fonctions analogues ou des structures identiques seront désignés par une même référence.
  • Dans la suite de la description, on adoptera à titre non limitatif une orientation longitudinale 'L" dirigée selon l'axe longitudinal de l'arbre et des orientations radiales s'étendant perpendiculairement à l'arbre dans toutes les directions.
  • On a représenté schématiquement à la figure 1 un arbre 10 de boîte de vitesses d'axe "A" longitudinal. Cet arbre 10 est destiné à recevoir divers éléments tels que des pignons fixes et/ou mobiles. L'arbre 10 est réalisé en un matériau métallique tel que de l'acier.
  • L'arbre 10 représenté à la figure 1 présente un axe "A" principal rectiligne orienté longitudinalement. Cet arbre 10 est destiné à subir un procédé de traitement, notamment pour en durcir la surface.
  • Comme cela est représenté à la figure 2, un tel procédé de traitement comporte chronologiquement une première étape "E1" de traitement thermique durant laquelle l'arbre 10 est exposé à une température "Tt" de traitement élevée suivie d'une opération de trempe. Il s'agit par exemple d'un traitement par carbonitruration ou d'un traitement par cémentation.
  • Durant un tel traitement, la température "Tt" de traitement est très élevée, par exemple d'environ 900°C. Pour finir le traitement, l'arbre 10 subit directement une opération de trempe qui fait baisser brutalement sa température, par exemple à une température d'environ 140°C.
  • On a représenté à la figure 5 un exemple de chaîne 16 de fabrication d'un tel arbre 10. La chaîne 16 comporte ainsi un four 18 qui permet de chauffer l'arbre 10 à la température "Tt" de traitement dans une atmosphère adaptée, par exemple riche en carbone et en azote. Puis la chaîne 16 présente une cuve 20 de trempe agencée en aval du four 18 selon le flux des arbres 10 dans la chaîne 16 de fabrication. La cuve 20 est par exemple remplie d'un fluide, tel que de l'huile, qui permet de réaliser l'opération de trempe.
  • Lors de la première étape "E1" de traitement, la variation importante de températures en un laps de temps aussi court provoque une déformation en flexion de l'arbre 10 de boîte de vitesses. Comme cela est représenté à la figure 3, l'arbre 10 présentant ainsi une flèche 12 permanente qui est ici déterminée comme étant la distance radiale maximale entre l'axe "A" de l'arbre et une droite "B" longitudinale imaginaire joignant les deux extrémités de l'arbre 10.
  • Lorsque la flèche 12 présente une dimension supérieure à un seuil de tolérance, l'arbre 10 ainsi déformé est rectifié en subissant une étape "E2" de redressage. Cette étape "E2" de redressage est réalisée après l'étape "E1" de traitement. Elle consiste à imposer une déformation plastique en flexion opposée à la flèche pour que l'axe "A" de l'arbre 10 soit globalement rectiligne. A cet effet, un effort de flexion symbolisé par la flèche "F" de la figure 3 est imposé à l'arbre 10.
  • Par exemple, comme cela est représenté à la figure 5, l'arbre 10 est installé dans une station 22 de redressage qui comporte des enclumes 24 qui supportent chacune une extrémité de l'arbre 10. L'arbre 10 est serré longitudinalement entre deux pointes 32 tournantes qui sont susceptibles d'entraîner l'arbre 10 en rotation autour de son axe "A" de manière à repérer la direction de la flèche 12. L'arbre 10 est ensuite calé dans une position angulaire dans laquelle la flèche 12 est dirigée vers un moyen de poussée, tel qu'un vérin 26. Puis un effort radial est appliqué sensiblement au centre longitudinal de l'arbre 10, par exemple par le vérin 26, pour lui imposer une flexion dans un sens opposé à la flèche 12.
  • On a constaté que pour certaines géométries d'arbres 10, cette étape "E2" de redressage pouvait aboutir à la création de fissures, voire à la rupture, de certains tronçons de l'arbre 10.
  • De telles fissures ou ruptures sont plus particulièrement susceptibles de se produire dans les tronçons présentant une géométrie qui favorise les concentrations de contrainte mécanique par rapport au reste de l'arbre. Il s'agit notamment des tronçons d'arbre 10 présentant une section transversale qui varie de manière brutale tel qu'un tronçon muni d'un épaulement et/ou d'une gorge et/ou d'un trou et/ou d'une rainure et/ou de cannelure, etc.
  • L'invention propose de faire subir à l'arbre 10 une étape "E3" de revenu qui est réalisée après l'étape "E1" de traitement thermique et avant la fin de l'étape "E2" de redressage. Durant cette étape "E3" de revenu, au moins un tronçon sélectionné de l'arbre 10 est soumis à un traitement localisé de revenu.
  • Lors du traitement de revenu de l'étape "E3" de revenu, le tronçon d'arbre sélectionné est soumis localement à une température "Tr" de revenu. Le terme "localisé" signifie que seul le tronçon sélectionné est soumis au traitement de revenu, les tronçons adjacents de l'arbre n'étant pas directement soumis au traitement de revenu. Cela signifie que les tronçons adjacents peuvent être chauffés uniquement par conduction thermique avec le tronçon sélectionné.
  • La température "Tr" de revenu est assez élevée pour provoquer un relâchement des contraintes mécaniques, une augmentation de la ductilité du matériau constituant le tronçon et une diminution du module élastique. La température "Tr" de revenu est toutefois suffisamment basse pour éviter d'altérer de manière conséquente les propriétés métallurgiques du matériau obtenues par le traitement thermique. La température "Tr" de revenu est par exemple inférieure à 250°C.
  • Le tronçon sélectionné pour subir l'étape de revenu présente une géométrie qui favorise les concentrations de contrainte mécanique par rapport au reste de l'arbre 10. Dans l'exemple représenté à la figure 3, il s'agit du tronçon 14 qui présente un épaulement suivi d'un tronçon long et fin de l'arbre 10.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, un seul tronçon 14 est amené à subir l'étape "E3 de revenu. Il s'agit du tronçon 14 présentant la géométrie qui présente la plus grande concentration de contrainte mécanique par rapport au reste de l'arbre 10.
  • Ce tronçon 14 sélectionné peut être déterminé de manière triviale, par exemple visuellement, lorsque la forme de l'arbre 10 est suffisamment simple.
  • Lorsque l'arbre 10 présente une forme complexe, le tronçon 14 sélectionné est déterminé par calcul numérique de la concentration de contraintes, par exemple par application de la méthode des éléments finis.
  • Selon une variante non représentée de l'invention, plusieurs tronçons non jointifs de l'arbre 10 sont soumis au traitement de revenu lors de l'étape "E3" de revenu.
  • Afin de pouvoir chauffer de manière localisée le tronçon 14 sélectionné de l'arbre 10, le traitement de revenu est réalisé par induction électromagnétique. A cet effet, la chaîne 16 de fabrication de l'arbre 10 comporte une station 28 de traitement de revenu par induction équipée d'un inducteur 30 électromagnétique présentant la forme d'un "U" ou d'un "O".
  • La dimension longitudinale minimale du tronçon 14 sélectionné est identique à la largeur de l'inducteur 30.
  • L'étape "E3" de revenu est réalisée avant le début de l'étape "E2" de redressage. A cet effet, la station 28 de traitement de revenu est indépendante de la station 22 de redressage. Elle est agencée en amont de la station 22 de redressage, comme cela est représenté à la figure 5.
  • En variante non représentée de l'invention, l'inducteur fait partie de la station de redressage. Dans ce dernier cas, il est aussi possible de réaliser l'étape "E3" de revenu au moins en partie pendant l'étape "E2" de redressage, comme cela est illustré à la figure 4. Par exemple, l'étape "E3" de revenu commence juste avant l'étape "E2" de redressage et elle peut se poursuivre après le début de l'étape "E2" de redressage.
  • En tous les cas, l'étape "E2" de redressage est réalisée pendant que le tronçon 14 sélectionné est encore assez chaud pour présenter une ductilité suffisante pour ne pas rompre ou se fissurer pendant l'étape "E2" de redressage.

Claims (8)

  1. Procédé de traitement pour durcir la surface d'un arbre (10) métallique de boîte de vitesses, notamment pour un véhicule automobile, qui comporte chronologiquement :
    - une étape (E1) de traitement thermique durant laquelle l'arbre (10) est exposé à une température (Tt) élevée suivie d'une opération de trempe qui provoque une déformation en flexion de l'arbre (10), l'arbre (10) présentant ainsi une flèche (12) permanente ;
    - une étape (E2) de redressage qui consiste à imposer une déformation plastique en flexion opposée à la flèche (12) pour que l'axe (A) de l'arbre (10) soit globalement rectiligne ;
    caractérisé en ce qu'on sélectionne au moins un tronçon (14) de l'arbre (10) présentant une géométrie qui favorise les concentrations de contrainte mécanique par rapport au reste de l'arbre 10, et en ce qu'on soumet le tronçon sélectionné à un traitement localisé de revenu, dans une étape de revenu (E3) qui est réalisée après l'étape (E1) de traitement thermique et avant la fin de l'étape (E2) de redressage de l'arbre.
  2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le tronçon (14) sélectionné présente une géométrie qui présente la plus grande concentration de contraintes mécaniques par rapport au reste de l'arbre (10).
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le tronçon (14) sélectionné est déterminé par calcul numérique du champ de contraintes, par exemple par application de la méthode des éléments finis.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors du traitement de revenu de l'étape (E3) de revenu, le tronçon (14) d'arbre sélectionné est soumis à une température (Tr) de revenu inférieure à 250°C.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de la première étape (E1) de traitement, le traitement thermique de l'arbre (10) est un traitement par carbonitruration ou par cémentation.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape (E3) de revenu, le traitement de revenu est réalisé par induction électromagnétique.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (E3) de revenu est finalisée avant le début de l'étape (E2) de redressage.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape (E3) de revenu est réalisée au moins en partie pendant l'étape (E2) de redressage.
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